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26. April
2008:
Lassen
Sie uns ein kleines wissenschaftliches Experiment machen.
Wenn Sie eine Dose Schlagsahne im Kühlschrank haben, holen
Sie sie heraus. Sprühen Sie eine großzügige Portion auf
einen Löffel und schauen genau hin.
Bemerken Sie irgendetwas interessantes? Die Schlagsahne
machte gerade etwas eher seltsames. Zuerst kam sie wie eine
Flüssigkeit aus der Düse heraus und dann, nur einen
Augenblick später, lag sie steif auf dem Löffel, als ob sie
fest wäre. Was verursachte diese Veränderung?
(Während
Sie darüber nachgrübeln, essen Sie die Sahne, im Namen der
Wissenschaft.)
Schlagsahne verändert sich so schnell aufgrund eines
Phänomens, welches "Strukturviskosität" genannt wird.
(Anmerkung d. übersetzers: Im Englischen wird dies "Shear
Thinning genannt. Dies macht den Begriff der
Strukturviskosität klarer, da eine Flüssigkeit auf die eine
stärkere Scherung (shear) wirkt, weniger viskos (zähflüssig
- thin) ist.)
Wenn Teile des Schaums gezwungen werden, am Rest des Schaums
vorbeizugleiten (oder Scheren), wird der Schaum "dünner". Er
ist dann weniger wie Honig und mehr wie Wasser, was es
erlaubt zu fließen, bis die Scherung aufhört.
Strukturviskosität gibt es in vielen Substanzen -- z.B.
Ketchup, Blut, Motoröl, Farbe und flüssigen Polymeren wie
Plastik -- und ist oftmals ausschlaggebend für die Nutzung
einer Substanz. Zum Beispiel ist eine zu hohe
Strukturviskosität bei Motoröl nicht erwünscht, weil es die
Fähigkeit des öls aufheben würde, den Motor vor Abnutzung zu
schützen. Die Strukturviskosität von Farbe führt dazu, dass
sie problemlos vom Pinsel fließt, aber dann fest an der Wand
haftet. Ketchup fließt dadurch auch gut aus der Flasche,
tropft aber nicht von Ihren Pommes hinunter.
Dennoch habe sich Wissenschaftler
jahrelang die gleiche Frage gestellt: Was bewirkt die
Veränderung? Die inneren Abläufe der Strukturviskosität
sind noch nicht vollständig klar.
"Die
Details hängen von den Wechselwirkungen in der Flüssigkeit
auf molekularem Level ab, und diese Wechselwirkungen können
höllisch komplex sein", sagt der Physiker Robert Berg vom
National Institute of Standards and Technology. "Selbst bei
sehr einfachen Flüssigkeiten wurden die grundlegenden
Theorien noch nie direkt überprüft."
Bis
jetzt. Die erste praktische Bestätigung wie
Strukturviskosität in einer einfachen Flüssigkeit wirkt,
stammte von einem Experiment, das an Bord des Space
Shuttles Columbia mitflog.
"Wir
zeigten, dass die führende Theorie grundsätzlich richtig
ist", sagt Greg Zimmerli, Projektwissenschaftler für das
Experiment an NASAs Glenn Research Center. "Die ist ein
wichtiger Schritt", fügt Berg, der leitende Forscher für
dieses Experiment, hinzu.
Die
meisten der Daten von diesem Experiment, genannt Critical
Viscosity of Xenon-2 (CVX-2), -- kritische Viskosität von
Xenon-2 -- wurden von den Wissenschaftlern vor der
Zerstörung des Shuttles, während des Wiedereintritts in die
Erdatmosphäre, zur Erde gesendet. Bemerkenswert ist es auch,
dass die Festplatten des Experiments die Katastrophe
überstanden haben und unter den Wrackteilen gefunden wurden.
Techniker waren in der Lage, den Rest der Daten
wiederherzustellen.
Oben:
Dieses daumennagelgroße Stückchen, das zwischen den
Elektroden aufgehängt ist, ist die Schaufel, welche die
CVX-2 Xenon Probe rührte.
CVX-2 wurde entwickelt, um die Strukturviskosität in Xenon zu
untersuchen, einer Substanz die in Lampen und
Ionen-Raketenantrieben benutzt wird. Xenon ist chemisch
inert, weshalb seine Moleküle aus einen einzigen Atom
bestehen -- näher kommt man nicht an die fliegenden
Billardkugeln eines
idealen Gases oder einer Flüssigkeit heran. Im Gegensatz
zu Schlagsahne, die aus langen, komplizierten organischen
Molekülen besteht, ist Xenon relativ einfach zu verstehen.
"Es ist
eine einfachere und damit greifbarere Flüssigkeit für die
Theoretiker", sagt Zimmerli.
Einfache Flüssigkeiten wie Xenon haben normalerweise keine
Strukturviskosität. Sie sind entweder dick oder dünn und
bleiben, wie sie sind. Dies ändert sich aber nahe dem
"kritischen Punkt" -- einer speziellen Kombination aus
Temperatur und Druck, an dem Flüssigkeiten gleichzeitig als
Gas und Flüssigkeit existieren können. An ihrem kritischen
Punkt sind einfache Flüssigkeiten in der Lage such "dünn zu
scheren", genau wie Schlagsahne es tut.
Unten:
Das Phasendiagramm für Xenon illustriert das Konzept des
kritischen Punkts - die höchste Temperatur und der höchste
Druck bei denen Xenon als Flüssigkeit und Gas gleichzeitig
existieren kann.
 Xenon
gleicht an seinem kritischen Punkt einem trüben Nebel, ein
Brei aus mikroskopisch kleinen Taschen mit etwas höherer
oder niedrigerer Dichte. Diese kleinen Gebiete variabler
Dichte tauchen in einem brodelnden Schaum ständig auf und
verschwinden wieder. Dies gibt dem reinen Xenon etwas der
strukturellen Komplexität von Mixturen wie etwa Blut.
CVX-2
musste im Weltraum durchgeführt werden: Flüssigkeiten mit
einem kritischen Punkt werden leicht zusammengedrückt. Auf
der Erde kollabieren sie unter ihrem eigenen Gewicht und
sind am Boden dichter. Im freien Fall des Weltraums
verschwinden solche Unterschiede -- eine Hauptvoraussetzung
für ein gutes Experiment.
Um die
Strukturviskosität zu testen, musste CVX-2 Temperatur und
Druck in einem kleinen Zylinder abgleichen, um das Xenon an
seinen kritischen Punkt zu bringen, und dann die Flüssigkeit
sanft mit einem Paddel aus Nickel umzurühren. Indem gemessen
wurde, wie stark der Widerstand gegen das Umrühren war,
konnte man bestimmen, wie dickflüssig das Xenon war. CVX-2
suchte nach änderungen in dieser Dickflüssigkeit, während
die Rührgeschwindigkeit sowie die Temperatur langsam
verändert wurden.
Die Ergebnisse stimmten sehr gut mit den Vorhersagen der "dynamic
mode-coupling" Theorie überein. "Dieses fundamentalere
Verständnis könnte uns dabei helfen, bessere Theorien für die
Strukturviskosität in Flüssigkeiten zu entwickeln, die
komplexer sind als Xenon", sagt Zimmerli.
Das wären gute Nachrichten für Ingenieure, die neue
Hochleistungsöle für Autos entwickeln oder Hersteller, die
flüssiges Plastik mit genau der richtigen Strukturviskosität
herstellen möchten. The Sky is the limit...
Ob möglich ist, die Schlagsahne zu
verbessern, ist jedoch eher fraglich.
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Author & Editor:
Dr. Tony Phillips | Credit:
Science@NASA
übersetzung + Editor:
Frank Erhardt (Astrolabium.Net)
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